河流挟沙浓度对沉管基槽内回淤厚度的影响

2023-08-29冯先导韩鹏鹏仇正中

长江科学院院报 2023年8期

冯先导,韩鹏鹏,仇正中,王聪

(1.中交第二航务工程局有限公司,武汉 430040;2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室,武汉 430040;3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心,武汉 430040;4.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司,武汉 430040)

0 引言

在内河上修建沉管隧道时需预先开挖基槽,因搁置时间长易受到洪水和暴雨影响,河床表面泥沙由静止状态向悬移质转变,经过基槽时在内部形成回淤。国内外学者通过CFD软件研究不同流速下冲淤地形随时间变化,揭示了泥沙运动规律[1]。曹影峰等[2]依托深中通道工程进行试挖槽回淤观测,从坡顶至坡脚回淤厚度逐渐递增,且坡顶的回淤厚度要比坡底部小得多。通过对港珠澳大桥进行预挖槽试验,辛文杰等[3]及曹慧江等[4]通过分析监测数据得知,基槽中回淤主要由悬疑质形成,在枯水期基槽内回淤变幅不大,在汛期基槽回淤强度增加。依托广州如意坊沉管隧道,傅鹤林等[5]分析两河交汇处基槽回淤状况,进而得出基槽回淤厚度分布规律,基槽后坡淤积厚度明显小于前坡淤积厚度。针对黏性颗粒絮团,许春阳等[6]采用模型试验进行絮团沉速定性研究,泥沙颗粒随着粒径减小,絮凝强度逐渐增加,且低水流紊动强度有利于泥沙碰撞进而絮凝沉降。李慧梅等[7]研究表明絮凝沉降速度受含沙量和泥沙粒径影响较大。刘俊秀等[8]系统总结了胶体微粒絮凝原理,分析了泥沙级配、泥沙浓度对絮凝的影响,研究发现高浓度离子水体有助于细颗粒泥沙絮凝发生。黄颖[9]对水库下游实测数据分析发现,当水沙条件发生变化时,河段冲刷和回淤随时间发展呈非线性,前期变化较大,随后逐渐达到新的平衡。黄才安[10]通过水槽中输沙强度试验,在考虑泥沙颗粒相互作用基础上,探究垂线方向上泥沙浓度分布规律。周双[11]通过高速摄像技术观察泥沙颗粒起动和悬疑质运动过程,建立泥沙浓度较低时推移质输沙率公式。钱七虎[12]剖析现有数值模拟冲刷量较大的原因,为内河修建沉管可行性提供参考。陈雄波[13]利用计算机编程模拟多沙河流泥沙运动规律,计算得到小浪底水库泥沙输运公式,其结果能够反映实际地形变化。白静[14]通过建立三维大涡模型来研究悬疑质泥沙输运过程,并研究了脉动速度对泥沙浓度的影响。孟震[15]开展了均匀沙和非均匀沙粗化试验发现,在高速水流作用下泥沙表层逐渐粗化并逐渐形成沙纹状。

目前,众多学者通过现场观测和水槽试验建立泥沙输运方程,对泥沙运动和基槽内回淤厚度分布规律已有很深的认识,在相同泥沙浓度情况下,关于短期内回淤厚度随时间变化的研究少见。基于泥沙运动复杂性,依托襄阳内河沉管隧道工程,建立三维数值计算模型,分析挟沙水流对基槽回淤厚度的影响,揭示沉管下放后基槽内泥沙浓度分布规律,以期能够为相似工程提供借鉴。

1 工程概况

襄阳东西轴线道路工程鱼梁洲段起点位于规划旭东路东侧,终点位于纵四路西侧,主线全长5.4 km,隧道工程主要包含樊城明挖隧道314 m、西汊沉管351 m、东汊沉管660 m。河床表层为粉层,泥沙直径在0.075～0.2 mm之间,开挖坡度为1∶3;下层为卵石层,开挖坡比为1∶2。沉管基槽开挖深度为18.4 m,底部宽度为39.3 m,如图1所示。

图1 基槽断面

2 基槽回淤观测分析

在汉江东汊所在施工区域受到上游泄洪和暴雨天气影响,基槽内每天回淤厚度差异很大,为了减小基槽回淤对沉管安装的影响,在基槽内沉管顶部与底部设置回淤盒,开展回淤观测试验。结合水文条件对基槽内回淤随时间变化进行研究分析。

东汊沉管基槽回淤主要发生在洪水季,从图2可知,水流平均流速为9 cm/s,7月10—28日对基槽内每天回淤厚度进行分析,在监测初期受到上游洪水影响,基槽沉管底部回淤强度平均为3～5 cm/d,基槽沉管顶部回淤强度平均为1 cm/d。洪水过后沉管顶部与底部回淤强度大致相同,都为1 cm/d。其中7月22—24日为暴雨天气,在内河流域,降雨从陆上挟带泥沙微颗粒至水流中,基槽内回淤量陡然增加,基槽沉管底部回淤强度平均为18 cm/d,基槽沉管顶部回淤强度平均为13 cm/d。暴雨过后,受到上游流量增加影响,流速增加至30 cm/s,之后的回淤强度与受到洪水影响的回淤强度相似。

图2 流速与回淤厚度历时曲线

3 基槽回淤演变数值分析

3.1 三维泥沙输运方程

当水流经过松散泥沙河床时,泥沙颗粒运动方式主要包括起动、上举与沉积3种形式。促成河床泥沙起动的力有上举力、托拽力、脉动压力等,泥沙赖以抗拒起动的力有重力、黏结力等,泥沙起动和沉积取决于这两类力的状态。

3.1.1 泥沙起动

泥沙起动是泥沙运动规律研究的重要内容,Shields曲线被广泛用作泥沙初始运动的准则,由于其纵横坐标差异带来黏性颗粒与起动情况不符合的事实[16],国内外学者多次对其修正,其中沙玉清[17]考虑薄膜水引起黏聚效应和孔隙率变化,利用水动力平衡方程得出泥沙粗细颗粒起动流速公式,结合实测资料加以验证,即

(1)

式中：δ为薄膜水厚度,取值为0.000 1 mm;ε为孔隙率,其稳定值为0.4;D为粒径;d为水深;g为重力加速度;h为水深;γ为水重度;γs为泥沙颗粒重度;vc为泥沙起动流速。

3.1.2 泥沙上举输运

在实际水流中,河床表面剪切力是通过河流作用河床表面的剪力,临界希尔指数θcr,n可以定义出临界河床剪切力τcr,n,泥沙的起动和沉积作为泥沙运动两种相对的状态是同时发生的,联合起来决定悬移质和推移质之间的交换比率,泥沙离开河床的上举速度可以通过Winterwerp等式计算,即

(2)

(3)

式中：ulift,n为泥沙颗粒上举速度;nb为河床面法向量对应的系数;an为泥沙挟带系数;d*,n为无量纲参数;dn为泥沙颗粒直径;sn为砂率;θn为第n种泥沙希尔参数;τ为河床剪切力;τcr,n为临界河床剪切力;ρn为第n种泥沙颗粒密度;ρf为流体密度;θcr,n为临界希尔指数,根据河床面上相同颗粒受到剪切应力推导而得。

3.1.3 泥沙沉积

黏性细颗粒泥沙(粒径<32 μm)存在絮凝现象导致沉降速度计算相对复杂。黏性细颗粒泥沙浓度达到2～3 kg/m3时,泥沙颗粒之间就会相互吸引发生制约沉降[6]。针对黏性沉降特性,为清晰描述泥沙黏性细颗粒沉降速度,利用分形维度概念,Te Slaa等[18]将Richardson-Zaki等式拆分得到黏性颗粒沉降速度ωfs,即

式中：ωs,0为单个黏性颗粒低浓度状态下沉降速度;nf为分形维度;Ø为泥沙体积浓度;Øf为黏性泥沙体积浓度;Ømax为泥沙最大浓度。针对非黏性细沙颗粒沉降特性,结合各种制约因子,Baldock等[19]沉降公式中引入Krieger-Dougherty 黏性项,得出非黏性沙沉降速度为

μe=ωs,0(1-Ø/Ømax)-2.5Ømax。

(5)

式中μe为非黏性泥沙颗粒沉降速度。

3.2 模型边界条件确定

河床地形变化是泥沙运动的结果,通过水下声纳扫描得到东汊汉江河床原始地形高程数据,经过CATIA软件边界处理得到适合计算的三维模型。为研究水流对河床泥沙运动规律的影响,借助原有Flow-3D数值模型框架,将泥沙起动流速公式更换为沙玉清泥沙起动公式,重新建立泥沙起动模型。上游采用速度入口边界,在速度入口设置泥沙浓度,下游采用压力边界,上部采用压力边界,左右采用对称边界,最小网格尺寸为0.35 m,网格总数大约150万,初始条件水深为3.5 m。如图3所示。

图3 东汊河床地形

3.3 模型适用性分析

选取基槽内左侧、中部典型断面作为流速监测断面,在基槽断面共布置15个测点进行流速监测,如图4所示。

图4 基槽断面测点布置

图5 上游水流平均流速为0.1 m/s时基槽断面流速验证

河床整体呈现左低右高形态,造成水流汇集河床左侧,因此基槽左侧的流速比基槽中部大。当上游水流平均流速为0.1 m/s时,基槽断面流速如图5所示,从实测测点1、测点2、测点4、测点7数据分析可以看出,水流经过基槽断面时,随着过水断面面积增大,在河流表面流速呈下降趋势;经过基槽后部,因过水断面面积减小,流速有所增大,基槽后部流速小于基槽前部流速。从测点4、测点5、测点6可以看出,在基槽垂直向方向上流速呈现上高下低的趋势。

根据测点分布位置,为验证数值计算结果适用性,将沉管基槽计算流速与实际测得流速对比分析,如图5所示。从图5(a)中可以看出,在河道左侧,实测值与计算值差异在5%以内;从图5(b)中可以看出,在河道中部,实测值与计算值差异在6%以内。综上所述,数值模型精度能够满足计算需求。

4 计算结果分析

4.1 清水条件下基槽内回淤厚度分析

根据历年流速实测数据,汉江东汊河流流速在0.1～0.42 m/s之间,基于此,分析0.1、0.5 m/s状况下清水条件下河床地形演变和基槽回淤状态。当河流平均流速为0.1 m/s时(图6),河道流速比较平均,经过沉管基槽时,水流表面流速有微弱下降,流速为0.03 m/s。在近岸两侧基槽内,受到遮蔽效应,水流流速趋近于0 m/s。河床表层泥沙尚未起动,从图6可以看出,由于流速尚未达到河床面泥沙起动流速,河床表面地形整体并未发生变化,在东汊河道凹侧因回旋水流存在,有少量回淤产生,在经历20 h后,基槽底部并未有回淤产生。

图6 上游水流平均流速为0.1 m/s时流场分布与局部回淤地形

图7 上游水流平均流速为0.5 m/s时流场分布与局部回淤地形

当河流平均流速为以0.5 m/s时(图7),河道右侧受到地势较高的影响,主流集中在左侧,表层流速较大,为0.63 m/s。经过沉管基槽时,可明显看出水流表面流速整体下降,流速为0.35 m/s。在近岸两侧基槽内,受到遮蔽效应,水流流速趋近于0.14 m/s。河床表层泥沙细颗粒接近起动流速,从冲刷地形图6(b)和图7(b)对比可以看出,河床表面地形整体已发生改变,在水流冲击作用下局部河床由凹凸不平已开始变平,在基槽前端河床表面泥沙逐渐向基槽内部运动,在基槽前坡段有淤泥,在东汊河道右侧基槽底部尚能保持平整,在东叉河道右侧有少量回淤产生,经过20 h后,基槽底部有微量回淤。

4.2 泥沙浓度对沉管基槽回淤的影响

在遇到极端暴雨天气以及支流高浓度水流汇入状况下,水流挟带陆上泥沙进入河流混掺,因其碰撞粘结作用,遇见流速较低时,易絮凝沉降形成浮泥层,河床基槽内回淤十分明显。当河床水流流速为0.1 m/s时,研究输沙量分别为1、2、3、4 kg/m3基槽内泥沙浓度分布情况,基槽表面设置11个测点分析基槽表面回淤变化,如图8所示。

图8 回淤厚度测量点布置

以上游输沙浓度4 kg/m3为例,探究水中悬移质经过基槽时泥沙浓度分布,如图9所示。上游进口水沙条件与实测相似,在垂线方向上泥沙浓度逐渐升高,靠近河床面泥沙浓度接近8.4 kg/m3,水流中悬移质经过基槽沉积后,基槽前端泥沙浓度大于基槽后部泥沙浓度,水流中高浓度泥沙主要集中在基槽前坡和基槽底部,并在基槽底部逐渐沉积。

当水流中泥沙含量较高时,基槽内部回淤分布也有所差异,基槽两侧河床地形基本保持原有形状,并没有形成显著回淤,不同泥沙浓度下基槽测点回淤厚度变化如图10所示。

从图10可知,基槽内回淤初期各个位置回淤厚度大致相同,回淤经过发展后,基槽靠近上游边坡淤积较厚,靠近下游边坡淤积较薄,前坡淤积量比后坡淤积量要大,相同时间内基槽前坡回淤速率较后坡大。受到水流作用,泥沙在前坡回淤主要集中在坡段的两侧,经过基槽时,水流紊流强度渐弱造成泥沙沉积,含沙量显著降低,在基槽后坡回淤厚度沿程逐渐降低。从图10还可知,不同泥沙浓度挟沙水流经历20 h后,当泥沙浓度为1 kg/m3时,在前坡回淤最大厚度为5 cm,基槽内回淤厚度约为2.5 cm,在后坡回淤厚度约为1 cm;当泥沙浓度为2 kg/m3时,在前坡回淤最大厚度为7 cm,基槽内回淤厚度约为4 cm,在后坡回淤厚度约为2.2 cm;当泥沙浓度为3 kg/m3时,在前坡回淤最大厚度为9.1 cm,基槽内回淤厚度约为5.2 cm,在后坡回淤厚度约为3.5 cm;当泥沙浓度为4 kg/m3时,在前坡回淤最大厚度为10.58 cm,基槽内回淤厚度约为6 cm,在后坡回淤厚度约为2.5 cm。

4.3 沉管安装对基槽回淤的影响

在河床表面开挖基槽后,铺好碎石垫层,然后进行沉管浮运安装,沉管立面尺寸为31.2 m×9.2 m (宽×高),采用两孔一管廊布置,如图11所示。为探讨沉管安放对基槽内部泥沙回淤的影响,当河床水流流速为0.1 m/s时,在沉管附近流场非常复杂,在沉管顶部的流速比沉管底部流速要大许多,在沉管尚未沉放区域内,在垂直方向上由于水流流速梯度较大,出现明显分层现象;在沉管安放区域,沉管顶部流速为0.07 m/s,在沉管底部有明显涡流存在,流速趋近于0.01 m/s。水流流速和泥沙浓度密切相关,通过研究沉管周围流场分布规律,间接推求水流中泥沙经过沉管时发生的变化。通过泥沙浓度分别为1、2、3、4 kg/m3时分析计算,得出沉管底部和顶面在回淤分布规律。

图11 沉管沉放布置及断面A-A流线分布

从沉管纵向立面和横向立面泥沙浓度分布规律(图12(a))可知,在泥沙浓度为4 kg/m3时,在沉管前侧泥沙浓度上升梯度较大,沉管前侧泥沙浓度为6.7 kg/m3,约为沉管后侧泥沙浓度两倍,从泥沙浓度分布可以看出,水流中泥沙浓度在垂线方向上逐渐增加,经过沉管时,底部浓度较高泥沙停留在沉管前侧,上部浓度较小泥沙颗粒继续流向下游,造成少量泥沙沉积在沉管前侧,而在沉管后侧几乎没有出现回淤,受到回旋流影响,在沉管后侧附近泥沙浓度有所升高。从纵断面(图12(b))来看,沉管底部泥沙浓度比沉管顶部泥沙浓度高,在沉管顶部水流区域,泥沙浓度分布比较平均,由于沉管底部边线处涡流存在,泥沙浓度最高的地方出现在沉管右侧,泥沙最高浓度为6.2 kg/m3,经过长时间淤积会形成浮泥,当沉管进行下一节进行沉放时,会影响其安装精度。

图12 沉管泥沙浓度分布

不同泥沙浓度对沉管回淤的影响如图13所示。当泥沙浓度为1 kg/m3时,经历20 h后,沉管顶部回淤厚度为1.1 cm,沉管底部回淤厚度为2 cm,相对于沉管顶部回淤厚度增加80%。当泥沙浓度为4 kg/m3时,经历20 h后,沉管顶部回淤厚度为7.15 cm,沉管底部回淤厚度为9.35 cm,底部回淤厚度增加30%。沉管底部回淤量随着泥沙浓度的增高而增高,沉管顶部也具有同样规律,但顶部与底部回淤厚度差别随着泥沙浓度增高而逐渐减小。另外,同基槽尚未安装沉管相比较,安装沉管后,受到沉管对水流的扰动,基槽底部回淤厚度有所增加。